DMC230檢校場布設方案及檢校精度分析

宗偉麗 甘 俊

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

GPS差分定位技術、IMU慣性導航技術以及高性能數碼航攝相機技術的發展，使得基于DGPS/IMU輔助航空攝影在實現無外控(或少外控)測圖方面表現出日益明顯的優勢。在航攝相機實際作業過程中，相機參考坐標系與IMU慣性平臺參考坐標系的坐標軸之間會存在微小的角度偏差，即偏心角(Misalignment Angle);同時受制于地球曲率、相機焦距的變化以及GPS定位精度等影響，曝光點時刻相機中心的位置亦存在偏移誤差，即線元素偏移值，這些誤差因子使得經過DGPS/IMU解算獲取的初始外方位元素存在較大誤差，對后續的無控(或少控)測圖應用影響較大。因此，通過相機(視軸)檢校求取偏心角和線元素偏移值在基于DGPS/IMU輔助航空攝影測圖中顯得尤為重要。

1 航攝相機檢校的基本原理

航攝相機檢校是為了求出IMU與航攝儀之間的偏心角以及線元素分量偏移值，即在一個有足夠數量且精度較高控制點的試驗區進行檢校飛行，采用空三加密方法計算出每張像片的外方位元素，含投影中心的位置和姿態角(φ，ω，κ)。然后通過與 DGPS/IMU解算獲得的位置和姿態數據(φ，θ，ψ)進行差值平差計算，求得偏心角及線元素分量偏移值。

利用檢校處理獲取的偏心角和偏移值，對整個攝區范圍加入角度系統差改正和線元素分量偏移值改正后，即可得到系統誤差改正后的外方位元素成果，從而實現在整個攝區的無(或少)地面控制航空攝影測量。相機檢校的基本流程如圖1所示。

圖1 相機檢校基本流程

2 檢校場布設方案

2.1 檢校場選擇

檢校場應選擇在高大建筑物較少、地面控制點選刺方便、同時易于連接點自動匹配的區域，檢校場布設時應盡量布設在測區內或者在測區附近能夠實施野外像控測量的區域。

2.2 檢校場航線布設

檢校場檢校的目的是為了檢校IMU與航攝儀之間的偏心角(側滾角 ROLL、俯仰角 PITCH、航偏角HEADING)以及線元素分量偏移值(即3個角元素和3個線元素)。因此，檢校場的航飛策略應最大程度體現偏心角和偏移值對定向精度的影響。采用平行同向飛行時，其不同航線飛行時側滾角和航偏角的偏移方向是一致的，同時短時間內受風向影響的方向也是一致的，不利于側滾角和航偏角的檢校。而在只布設平行航線的情況下，每條航線的俯仰角方向都是一致的，不利用俯仰角的檢校。因此，采取平行對飛與十字交叉飛行相結合是理想的相機檢校航飛方式。

在實際作業中，數碼航攝相機的檢校場布設采用對飛和十字交叉飛行相結合的方式，航向重疊和旁向重疊一般不小于常規航飛作業要求，即旁向不小于30%，航向不小于65%;可按照布設4條平行對飛航線和2條垂直交叉航線的方式來進行航飛設計，同時要求每條航線一般不少于10幅影像。如圖2所示。

2.3 檢校場外控點布設

檢校場內平高點應選在目標影像清晰，能準確判斷點位(平面和高程)，GPS測量施測方便，并在長期飛行中均能在像片上準確識別的地方。如果在檢校場區域內控制點點位附近選取平高點無法滿足上述要求時，必須在地面人工布設控制點。同時，應采取必要的措施，確保作業期間所有地標點的保存完整無損，且在航攝像片上成像清晰完整。每個固定檢校場的周邊須布設不少于6個平高控制點，點位與像片邊緣不小于1.5 cm。如圖3所示。

圖2 檢校場航線布設示意

圖3 檢校場外控點布設示意

在進行檢校場控制點測量的同時，需在檢校場范圍內明顯地物處布設至少2個檢查點，用于檢校場空三結果的檢核。

2.4 檢校場基站選擇

基站盡量布設在檢校場區域范圍內，距離不宜超過5 km。檢校場基站應與首級控制網進行聯測。

3 試驗精度分析

3.1 試驗簡介

以東北某鐵路航測項目為例，簡要分析相機檢校的精度以及對DGPS/IMU輔助空三的影響。項目航飛使用DMCⅡ230數字航攝儀，檢校場航線采用了5 cm的地面分辨率。

3.2 檢校過程

利用POSPac軟件進行原始POS數據解算，解算后輸出初始EO文件。

在數字攝影測量工作站LPS中，導入初始EO文件，進行DGPS/IMU輔助空三加密，加入外控點后，對原來的POS數據進行改正，輸出一套改正后的EO數據。通過對原始EO數據和空三解算的EO數據進行平差解算，得到相機檢校結果(如表1所示)。

表1 檢校場檢校結果

3.3 DGPS/IMU輔助空三精度分析

在項目航飛測區內選定某一塊區域作為實驗區域，分別利用檢校前的EO數據和檢校后的EO數據進行直接定向，將外業測量的檢查點在測區中量測，得到檢查點的殘差(如表2、表3所示)。

表2 檢校前檢查點精度統計(中誤差) m

表3 檢校后檢查點精度統計(中誤差) m

從表1中可以看到，3個角元素和3個線元素的檢校中誤差小于0.5 arcmin和0.5 m，完全符合檢校精度要求。從表2和表3可以看出，在DGPS/IMU無控空三中檢校后的EO數據相比于檢校前的EO數據精度有了普遍性的提高。為了更直觀的分析檢校前后平面和高程的精度，將檢校前后平面和高程的精度進行對比(如圖4所示)。

圖4 檢校前后誤差對比

從圖4中看出，無論是檢查點的平面精度還是高程精度都有了明顯提高，說明相機檢校在DGPS/IMU輔助航測中起著重要的作用。

4 結束語

檢校場的檢校精度直接決定著初始EO的精度，因此，檢校場位置的選擇、航線的布設、外控點的布設以及地面基站的布設都直接影響著相機檢校的結果。盡管在DGPS/IMU輔助空三加密時加入外業控制點可以提高空三加密的精度乃至地形圖的精度，但在無控空三和直接定向法測圖時，檢校場的檢校精度至關重要。在控制點輔助空三的情形下，良好的檢校精度可以起到減少控制點數量的效果。

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